第五章 集成电路设计技术与工具ppt课件.ppt

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1、集成电路设计技术与工具第五章集成电路元器件及其SPICE模型内容提要5.1引言5.2集成无源元件及其SPICE模型5.3二极管及其SPICE模型5.4双极型晶体管及其SPICE模型5.5MOS场效应晶体管及其SPICE模型5.6模型参数提取技术5.7本章小结5.1引言从电路的观点来看，集成电路可以认为是由元器件组成的。所谓元件（Element）不妨认为是电阻、电容和电感等结构简单，性能可用一个简单方程描述的单元。而器件（Device）则不妨认为是晶体管类结构相对复杂，性能要用多个方程才能描述的单元。从某种意义上说，器件可以由多个元件构成

2、。5.1引言在采用分立元器件设计电路的时代，人们通过选用元器件在电路板上搭试，然后再利用信号源、电表和示波器联合测试来检验电路性能。对于集成电路来说，则不存在这样的搭试途径，因为元件和电路是一次性完成制作的，且制作一旦完成，就无法修改。这就要求在设计电路的时候就能非常准确地预测出电路的性能。为了做到这一点，需要对电路尽可能地进行精确的性能分析（Analysis）。因为集成电路元器件无法用实物构建，必须首先建立器件模型，然后对用这些元器件模型所设计的集成电路进行以分析计算为基础的电路仿真（Simulation）。5.1引言由于集成电路涉及

3、成千上万只晶体管和其他元器件，对其进行模拟计算已非人力可及。因此，在集成电路与计算机互为依存、共同发展的年代，人们开发出了用于集成电路模拟的各种各样的计算机程序。在集成电路的晶体管级仿真方面，SPICE是主要的电路仿真程序，并已成为工业标准。因此，集成电路设计工程师，特别是模拟和数字混合信号集成电路设计工程师必须掌握SPICE的应用。本章首先讨论集成元器件的SPICE等效电路模型和模型的主要参数。5.2集成无源器件及其SPICE模型集成电路元器件可以分为无源和有源两类。无源元件包括电阻、电容、电感、互连线、传输线等，有源器件就是各类晶体

4、管。前面的章节已经介绍了在集成电路设计中起着决定性作用的有源器件的工作原理和制造工艺。事实上，利用这些工艺，可以同时实现大部分结构的无源元器件。下面将对电阻、电容和电感等基本无源元器件的集成实现形式及其数学描述加以介绍。一、集成电阻SPICE程序中有专用的语句定义电阻元件R，其主要参数为：电阻值R0和电阻温度系数。高频应用时，电阻等效模型还需要考虑其寄生电容和寄生电感值。下面首先介绍集成电阻的制造方法，然后讨论其版图几何图形设计、阻值计算、温度系数以及高频等效电路模型。集成电阻的类型1）多晶硅电阻掺杂多晶硅电阻与CMOS、BiCMOS等

5、硅基集成电路的制造工艺兼容，是一种很好的电阻材料，这种电阻被厚氧化物所包围，其阻值取决于掺杂浓度。通常，形成MOS器件栅极的多晶硅需要有低的电阻率，因此是重掺杂的；而形成具有一定电阻值的多晶硅则是轻掺杂的。2)掺杂半导体电阻—分为扩散电阻和离子注入电阻集成电阻的类型3）阱电阻阱电阻有N阱或P阱电阻两种。阱电阻的阻值大但精度差。4）合金电阻常用的合金材料有：钽（Ta）、镍铬（Ni-Cr）、氧化锌（SnO2）和铬硅氧（CrSiO）。5.2.1.2集成电阻的几何图形设计1）几何形状b直线宽条电阻c弯折窄条电阻a直线窄条电阻e分段弯折宽条电阻d

6、弯折宽条电阻2）几何尺寸设计在电阻的制作过程中，由加工引起的误差，如制版和光刻过程中的图形宽度误差等，会使电阻的实际尺寸偏离设计尺寸，导致电阻值的误差。电阻条图形的宽度w越宽，相对误差△w/w就越小，反之则越大。与宽度相比，长度的相对误差△l/l则可忽略。因此，对于有精度要求的电阻，其宽度选择不仅要考虑能够承受的电流外，还要考虑精度要求。5.2.1.3集成电阻的阻值计算为了便于计算集成电阻的阻值，人们引入了方块电阻的概念。图5.3方块电阻的几何图形矩形金属薄膜的电阻当l=w时，电阻为最后得到计算集成电阻阻值的最基本公式表5.10.5~1

7、.0mMOS工艺中导电层材料的典型方块电阻值（单位:Ω/口）材料最小值典型值最大值互连金属0.050.070.1顶层金属0.030.040.05多晶硅152030硅-金属氧化物236扩散层1025100硅氧化物扩散2410N阱（或P阱）1k2k5k不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子5.2.1.4电阻温度系数电阻温度系数TC是指温度每升高1℃时，阻值相对变化量。在SPICE程序中，考虑温度系数时，电阻的计算公式修正为T为工作温度；TC1为一阶温度系数；TC2为二阶温度系数；为标准温度，一般取27℃，为标准温度时的电阻值5.2.1.5集

8、成电阻的高频等效电路当集成电阻工作在几百MHz以上频率时，应该考虑电阻引线与电阻条的电感。这时，集成电阻可以等效为下图所示的双端口电路，其SPICE模型由这个包含五个元件的子电路来描述，其中，L为电阻引线与